JP2011526339A - ロータブレードおよびロータブレードを備えたターボ機関 - Google Patents
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Abstract
本発明に係るターボ機関、特に蒸気タービンのためのロータブレード(1)は、第1タブ(3)と、第1タブの軸方向(a)両側に配置された2つの第2タブ(4)とを有する差込式脚部(2)を備えており、第1タブおよび第2タブは、互いに対向する軸方向面(3.i,4.i)に、軸方向において段差(5)を有しており、それによってタブは、径方向外側の第1の部分(3.1,4.1)と、径方向内側の第2の部分(3.2,4.2)とを有しており、径方向内側の第2の部分の軸方向距離(bF3)は、外側の第1の部分の軸方向距離(bF1,bF2)よりも小さく、両方の第2タブ(4)の、互いに背向する軸方向面(4.a)の間の軸方向全幅(b)に関して、第1の径方向外側部分の径方向高さ(hF1/b)は0.39〜0.45の範囲、特に0.40〜0.44の範囲にあり、第2の径方向内側部分の径方向高さ(hF2/b)は0.40〜0.46の範囲、特に0.41〜0.45の範囲にある。
Description
本発明は、ターボ機関、特に蒸気タービンのための、複数のタブを有する差込式脚部を備えたロータブレードであって、当該複数のタブは、径方向において外側に位置する第1の部分と、径方向において内側に位置する第2の部分とを有しており、内側に位置する部分の軸方向距離は、外側に位置する部分の軸方向距離よりも小さいロータブレードと、当該ロータブレードを備えたターボ機関、特に蒸気タービンと、に関する。
例えば溶接などによって、ターボ機関のロータに固定的に連結されたロータブレードの他に、今日では特に蒸気タービンにおいて、指物脚部および差込式脚部を備えたロータブレードが用いられている。例えば非特許文献1には、3つのタブを有する差込式脚部を備えた、蒸気タービンのためのロータブレードが記載されている。それぞれのタブは、その両側の軸方向面に段差を有しており、それによって、タブは径方向において外側に位置する第1の部分と、径方向において内側に位置する第2の部分とを具備し、内側に位置する第2の部分の軸方向距離は、外側に位置する第1の部分の軸方向距離よりも小さくなっている。
当該差込式脚部は、運転時に大きな応力に耐えなければならない。1つには、特にロータの回転数が比較的大きい場合、径方向に作用する大きな遠心力が発生する。加えて、ロータブレードの周囲を流れる媒体、およびロータブレードによって流れを変更される媒体、例えば仕事を行う、蒸気タービンにおいて膨張する蒸気は、軸方向および周方向においてロータブレードに力を加えるので、ロータブレードを差込式脚部で支持しなければならない。
Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 20.Auflage auf Seite R67.
本発明の課題は、差込式脚部を用いた、ターボ機関のロータブレードの固定を改善することにある。
本課題を解決するために、請求項1のプリアンブルに記載のロータブレードは、その特徴部分によって、さらに構成される。請求項10は、当該ロータブレードを1つまたは複数備えたターボ機関を保護下に置くものである。従属請求項は、本発明の有利な、さらなる構成に関する。
本発明に係るロータブレードの差込式脚部は、1つの第1タブと、第1タブの軸方向において両側に配置された2つの第2タブとを有する。差込式脚部は、特に3つのタブを有するものとして構成できる。このとき、第1タブが中央のタブとなり、両方の第2タブが両端のタブとなる。しかしながら、第1タブまたは第2タブの1つの軸方向面または両方の軸方向面に、さらなるタブを設けることもできる。このさらなるタブは、略第1タブまたは第2タブのような幾何学寸法で形成されていると好ましい。
本発明によると、互いに対向する第1タブおよび第2タブの軸方向面は段差を有しており、当該段差は軸方向において延在し、それによって、当該タブは径方向外側の第1の部分と、当該部分と段差を介して接続される径方向内側の第2の部分とを具備し、内側の第2の部分の軸方向における距離は、外側の第1の部分の軸方向における距離よりも小さくなっている。第2タブの互いに背向する軸方向面は段差を有さず、連続した、特に平坦な軸方向端面を構成していることが好ましい。したがって、3つのタブを有する差込式脚部の場合、中央のタブがその両方の軸方向面に段差を有しており、両方の両端タブはその内側の、中央のタブに対向する軸方向面においてのみ、段差を有する。
本発明は、差込式脚部の軸方向全幅に関する、第1の部分および第2の部分の径方向高さを適切に選択することによって、当該差込式脚部が吸収できる力を明らかに増大させることができるという認識に基づいている。
ここで軸方向全幅とは、両方の第2タブの軸方向外側の端面間の距離を意味している。これら両方の軸方向端面が平行でない場合、軸方向全幅として、特に軸方向における最小距離、最大距離、または平均距離を用いることが可能である。「軸方向」、「径方向」、もしくは「周方向」という方向を示す表現は、ターボ機関におけるロータの方向を示す表現に関連するが、それは、本発明に係るロータブレードが当該ロータに固定されている場合である。
本発明の提案によると、第1の径方向外側の部分の径方向高さの比は、0.39〜0.45の範囲、特に0.40〜0.44の範囲にあるが、第2の径方向内側の部分の、軸方向全幅に対する径方向高さの比は、0.40〜0.46、特に0.41〜0.45の範囲にある。このとき、第1の径方向外側の部分の径方向高さを表すのは、特に段差と、第1タブと第2タブとを軸方向において互いに連結する桁との間の径方向距離である。したがって、第2の径方向内側の部分の径方向高さを表すのは、特に段差とタブの径方向内側端面との間の径方向距離である。このとき径方向距離は、軸方向において変化する。なぜなら、例えば径方向端面、段差、および/または2つの隣接するタブを連結する桁は、軸方向において、軸方向に平行には延在していないので、径方向高さとして、特に最小径方向距離、最大径方向距離、または平均径方向距離を用いることができるからである。
好ましくは、タブの径方向全高の、軸方向全幅に対する比は0.88〜0.94の範囲であり、より好ましくは0.89〜0.93の範囲である。径方向全高を表すのは、特に段差の径方向高さを含めた、第1の部分と第2の部分との前記径方向高さの合計である。当該段差は純粋な径方向の段差であり得るので、第1の領域と第2の領域との間のタブの軸方向距離は、突然に、または、非常に短い径方向部分において変化する。つまり、当該段差の径方向高さは略ゼロである。この場合、径方向全高は、第1の部分と第2の部分との径方向高さの合計に相当する。しかしながら、当該段差は傾斜も有し得るので、第1の部分と第2の部分との間におけるタブの軸方向幅は、直線的に先細っている。その他の、特に凸状または凹状に曲げられた段差も可能である。
第1の部分と第2の部分との径方向高さ、および軸方向全幅に関する径方向全高の前記好ましい領域に従うと、段差に関して、径方向高さの軸方向全幅に対する好ましい比は、0.00〜0.14の範囲であり、より好ましくは0.00〜0.12の範囲である。
第1タブの第1の径方向外側の、もしくは第2の径方向内側の部分は、軸方向全幅に関して、0.21〜0.27の範囲、特に0.22〜0.26の範囲、もしくは0.11〜0.17の範囲、特に0.12〜0.16の範囲の比を有していると好ましい。第2タブの第1の部分もしくは第2の部分の軸方向距離は、軸方向全幅に対して0.16〜0.22の範囲、特に0.17〜0.21の範囲、もしくは、0.11〜0.17の範囲、特に0.12〜0.16の範囲の比にあると好ましい。
タブの両方の軸方向面は、互いに平行に構成されていると好ましい。そうでない場合には、特に両方の軸方向面の間の最小距離、最大距離、または平均距離を軸方向距離とすることが可能である。
ターボ機関のロータのノッチ機構に差込式脚部を固定するために、第1タブおよび第2タブは、好ましくは1つ、より好ましくは2つまたはより多くの、互いに一直線に並ぶ、径方向に離間した孔を有しており、それぞれの、好ましくは円錐形のボルトは、当該孔に打ち込まれる。製造および取付けの公差を回避するために、差込式脚部をノッチ機構に差し込んだ後に当該孔を穿孔、および/または研磨によって設けても良い。
ボルトの位置は、ボルト面の上側破断面における遠心力負荷が引き起こす曲げ荷重が小さくなるように、または全く曲げ荷重を引き起こさないように選ぶことが好ましい。好ましくは、径方向外側の孔の中心点は、第1の部分の径方向外側の端部からの、例えば第1タブと第2タブとを連結する桁の径方向内側の端面からの、径方向距離を有しており、当該径方向距離は軸方向全幅と、0.24〜0.30の範囲の比、好ましくは0.25〜0.29の範囲の比を有する。他方、径方向内側の孔の中心点は、対応する比が0.60〜0.66の範囲、好ましくは0.61〜0.65の範囲である。
上述したように、第1タブおよび第2タブは、径方向外側に位置する桁を介して互いに連結されていることが好ましい。当該桁において、タブの第1の部分は径方向に終端している。このとき、第1タブ、第2タブ、および/または桁は、特に基礎成形および/または非切削もしくは切削による変形によって、互いに一体的に構成されるか、または複数のパーツから構成され、溶接などによって互いに結合される。径方向外側に位置する桁は、軸方向全幅に対する比が0.12〜0.18の範囲、特に0.13〜0.17の範囲にある径方向高さを有していることが好ましい。
好ましくは、ロータブレードが取り付けられた場合、ロータの回転方向において前方の、第2タブの軸方向端面は、孔の径方向面に対して平行に配置されており、それによって、回転方向において後方の、差込式脚部の軸方向端面は、対応してブレードピッチを中心に回転している。
その差込式脚部に対向する側に、ロータブレード断面が配置されている桁は、孔を通過する前記半径面に対して略垂直な面に位置していることが好ましい。このために、桁の径方向内側および/または外側端面を、孔の径方向面に対して、すなわち孔の両方の中心点を通過して径方向に延在する面に対して略直角に構成しても良い。
本発明に係るターボ機関は、本発明に係る各ロータブレードを固定するために、第1タブを受容するための第1ノッチと、第2タブを受容するための2つの第2ノッチを備えた、対応するノッチ機構を有している。第2ノッチは、それぞれ桁によって第1ノッチから分離されている。
好ましくは、当該ノッチは、ノッチによって受容されるタブに対して略補完的に構成されており、この点に関しては、上記の実施形態が指摘される。特に、両方の第2ノッチの互いに背向する軸方向面の間の軸方向全幅は、両方の第2タブの互いに背向する軸方向面の間の軸方向全幅に略相当することが好ましい。
このとき、特に製造および/または取付けの公差を補償するために、差異をわずかに抑えることに利点がある。すでにタブに関して説明したように、径方向高さもしくは軸方向距離としては、平行または平行ではない面の間の、径方向もしくは軸方向における最大距離、最小距離、または平均距離を対応して用いることができる。
例えば、軸方向全幅に対する、第1の径方向外側の桁部分もしくは第1の径方向外側のノッチ部分の径方向高さの比は、好ましくは0.40〜0.46の範囲、より好ましくは0.41〜0.45の範囲にあるが、軸方向全幅に対する、第2の径方向内側の桁部分もしくは対応する径方向内側のノッチ部分の径方向高さの対応する比は、好ましくは0.44〜0.50の範囲、より好ましくは0.45〜0.49の範囲にある。
さらなる利点および特徴は、従属請求項および実施例から明らかになる。このために、一部概略化した図を用いる。
図1は、本発明の実施形態に係る、3つのタブを有する差込式脚部2を備えたロータブレード1の斜視図である。特に、差込式脚部2を蒸気タービン(図示せず)のロータの周方向において上から見た図である図2から明らかであるように、差込式脚部2は径方向において外側からロータに差込可能であり、3つのタブを有する当該差込式脚部は、第1の中央タブ3と、軸方向aにおいて当該中央タブ3の両側に配置された2つの第2両端タブ4と、を有している。互いに対向する中央タブ3の内側軸方向面3.iと、両端タブ4の4.iとは、それぞれ傾斜する段差5を有しているが、両方の両端タブの軸方向外側に位置する端面などは、平坦かつ互いに平行に構成されている。中央タブ3および両端タブ4と一体的に構成されている桁7と、傾斜する段差5との間では、中央タブ3が、軸方向距離bF2の第1の部分3.1を有しており、両方の両端タブ4は、軸方向距離bF1の第1の部分4.1をそれぞれ有している。当該第1の部分は、桁7の径方向内側の端面(図2の下方)から、段差5まで、すなわち軸方向距離が減少する箇所までを測定した、径方向高さhF1を有している。桁7は、タブ3,4の径方向外側端部と、対向する径方向外側の端面との間に、径方向高さhPを有する。
中央タブ3および両端タブ4は、それぞれ、段差5によって第1の部分から分離された、第2の部分3.2もしくは4.2を有している。当該部分は、タブの径方向内側端面と、段差5、すなわち軸方向距離が変わる領域との間に、軸方向距離bF3および径方向高さhF2を有する。
タブ3,4の、互いに対向する内側の軸方向面3.i,4.iは、傾斜する段差5を除いて、両方の両端タブの平坦で段差の無い軸方向端面4.aと平行に構成されている。
差込式脚部2は、両方の両端タブ4の両方の軸方向端面4.aの間に、軸方向aにおいて、軸方向幅bを有する。軸方向全幅bに関して、桁7の径方向内側端面と、タブ3,4の径方向内側端面との間に延在する、差込式脚部の径方向全高hは、h/b=0.91の比にある。
第1タブおよび第2タブの前記径方向高さの比は、hF1/b=0.42、もしくは、hF2/b=0.43に統一されている。
中央タブ3の軸方向距離については、bF2/b=0.24、および、bF3/b=0.14であり、両端タブ4については、bF1/b=0.19、および、中央タブのようにbF3/b=0.14である。
差込式脚部2を受容するために、蒸気タービンのロータには、図3に示された、中央タブ3を受容するための中央ノッチ30と、両端タブ4を受容するための2つの両端ノッチ40とを有するノッチ機構が形成されている。
特に図4に示された組み立て図から明らかであるように、タブ3,4とノッチ30,40とは略相互補完的に構成されている。このために当該ノッチ機構は2つの同一の桁80を有しており、当該桁は径方向内側に位置するノッチ底部から出発し、それぞれ軸方向距離bN2を有する第2の部分82を備えており、第2の部分82は傾斜する段差50において、軸方向距離bN1を有する第1の部分に移行する。両端タブ4の両方の軸方向端面4.a間の軸方向全幅bに相当する、両方の両端ノッチ40の平坦で平行な外側軸方向面の間の軸方向全幅bに関して、この第1の部分および第2の部分の径方向高さtN1,tN2もしくは軸方向距離bN1,bN2は、bN1/b=0.19、bN2/b=0.29、tN1/b=0.43、tN2/b=0.47である。
第1の部分および第2の部分の径方向高さtN1;tN2と段差50の径方向高さとの合計から生じる径方向全高tの、軸方向全幅bに対する比は、t/b=0.95である。
特に図3および図4から明らかなように、ノッチ30,40は、その径方向内側のノッチ底部において、丸い面を有しており、桁40はその径方向外側の端面に斜めの面を有している。
差込式脚部2がノッチ機構に差し込まれている限りにおいて、差込式脚部2は、軸方向に打ち込まれた2つの円錐形ボルト(図示せず)によって固定される。このために、図1および図5において認められる孔6.1,6.2が設けられており、当該孔はタブ3,4を突き通している。
図4では、両方の孔の中心線が破線で示されているが、特にこの図4から明らかなことに、径方向上側の孔の中心線は、桁80の径方向外側端面もしくは桁7の径方向内側端面からの距離hB1を有しており、やはり図4に破線で示された、径方向内側の孔6.2の中心線は、径方向距離hB2を有する。その軸方向全幅bに対する比は、hB1/b=0.27、hB2/b=0.63である。
さらに、図5から明らかなように、タブ3,4の回転方向(図5では反時計回り)において前方の端面は、孔6.1,6.2の中心点を通る径方向面に対して平行であり、回転方向において後方の端面は、周方向において、対応してブレードピッチを中心に回転している。
1 ロータブレード
2 差込式脚部
3 第1もしくは中央タブ
3.1 第1の部分
3.2 第2の部分
3.i 軸方向面
4 第2もしくは両端タブ
4.1 第1の部分
4.2 第2の部分
4.i 内側の軸方向面
4.a 軸方向端面
5 段差
6.1 孔
6.2 孔
7 桁
30 第1もしくは中央ノッチ
40 第2もしくは両端ノッチ
40a 軸方向ノッチ端面
50 段差
80 桁
80.i 内側前面
81 第1の桁部分
82 第2の桁部分
2 差込式脚部
3 第1もしくは中央タブ
3.1 第1の部分
3.2 第2の部分
3.i 軸方向面
4 第2もしくは両端タブ
4.1 第1の部分
4.2 第2の部分
4.i 内側の軸方向面
4.a 軸方向端面
5 段差
6.1 孔
6.2 孔
7 桁
30 第1もしくは中央ノッチ
40 第2もしくは両端ノッチ
40a 軸方向ノッチ端面
50 段差
80 桁
80.i 内側前面
81 第1の桁部分
82 第2の桁部分
Claims (14)
- ターボ機関、特に蒸気タービンのためのロータブレード(1)であって、
第1タブ(3)と、前記第1タブの軸方向(a)両側に配置された2つの第2タブ(4)と、を有する差込式脚部(2)を備えており、
前記第1タブおよび第2タブは、互いに対向する軸方向面(3.i,4.i)に、軸方向において段差(5)を有しており、それによって前記タブは、径方向外側の第1の部分(3.1,4.1)と、径方向内側の第2の部分(3.2,4.2)とを有しており、前記径方向内側の第2の部分の軸方向距離(bF3)は、前記外側の第1の部分の軸方向距離(bF1,bF2)よりも小さいロータブレードにおいて、
前記両方の第2タブ(4)の、互いに背向する軸方向面(4.a)の間の軸方向全幅(b)に関して、前記径方向外側の第1の部分の径方向高さ(hF1/b)は0.39〜0.45の範囲、特に0.40〜0.44の範囲にあり、前記径方向内側の第2の部分の径方向高さ(hF2/b)は0.40〜0.46の範囲、特に0.41〜0.45の範囲にあることを特徴とするロータブレード。 - 前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)は、段差を有さないように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のロータブレード。
- 前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、前記タブの径方向全高(h/b)は、0.88〜0.94の範囲、特に0.89〜0.93の範囲にあることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のロータブレード。
- 前記段差(5)は、前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、0.00〜0.14の範囲、特に0.00〜0.12の範囲にある径方向高さを有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 前記段差(5)の軸方向幅が連続的に、特に直線的に、前記第1の部分から前記第2の部分にかけて先細ることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、前記第1タブ(3)の前記径方向外側の第1の部分(3.1)は、0.21〜0.27の範囲、特に0.22〜0.26の範囲にある軸方向距離(bF2/b)を有し、かつ/または、前記第1タブ(3)の前記径方向内側の第2の部分(3.2)は、0.11〜0.17の範囲、特に0.12〜0.16の範囲にある軸方向距離(bF3/b)を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、前記第2タブ(4)の前記径方向外側の第1の部分(4.1)は、0.16〜0.22の範囲、特に0.17〜0.21の範囲にある軸方向距離(bF1/b)を有し、かつ/または、前記第2タブ(4)の前記径方向内側の第2の部分(4.2)は、0.11〜0.17の範囲、特に0.12〜0.16の範囲にある軸方向距離(bF3/b)を有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 前記第1タブおよび前記第2タブは、2つの、径方向に離間した、互いに一直線に並ぶ孔(6.1,6.2)を固定ボルトを突き通すために有しており、前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、径方向外側の孔(6.1)の中心点は、前記第1の部分(3.1,4.1)の径方向外側端部から、0.24〜0.30の範囲、特に0.25〜0.29の範囲にある距離(hB1/b)を有し、かつ/または、径方向内側の孔(6.2)の中心点は、前記第1の部分(3.1,4.1)の径方向外側端部から、0.60〜0.66の範囲、特に0.61〜0.65の範囲にある距離(hB2/b)を有することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 前記第1タブ(3)および前記第2タブ(4)は、径方向外側の桁(7)を介して互いに連結されており、前記桁の径方向高さ(hF1/b)は、前記両方の第2タブ(4)の互いに背向する軸方向面(4.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、0.12〜0.18の範囲、特に0.13〜0.17の範囲にあることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のロータブレード。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載のロータブレード(1)の差込式脚部(2)を受容するためのノッチ機構を有するターボ機関、特に蒸気タービンであって、
前記ノッチ機構は、第1タブ(3)を受容するための第1ノッチ(30)と、桁(80)によって前記第1ノッチから分離された、第2タブ(4)を受容するための2つの第2ノッチ(40)とを有しており、
前記桁は、互いに対向する軸方向面(80.i)に、軸方向において段差(50)を有しており、それによって、前記桁は径方向外側の第1の桁部分(81)と径方向内側の第2の桁部分(82)とを有しており、前記内側の第2の桁部分の軸方向距離(bN2)は、前記外側の第1の桁部分の軸方向距離(bN1)よりも大きいターボ機関において、
前記両方の第2タブの互いに背向する軸方向面(40.a)の間における軸方向全幅(b)に関して、前記径方向外側の第1の桁部分(81)の径方向高さ(tN1/b)は、0.40〜0.46の範囲、特に0.41〜0.45の範囲にあり、前記径方向内側の第2の桁部分(82)の径方向高さ(tN2/b)は、0.44〜0.50の範囲、特に0.45〜0.49の範囲にあることを特徴とするターボ機関。 - 前記両方の第2タブ(40)の互いに背向する軸方向面(40.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、前記桁(80)の径方向全高(t/b)は、0.92〜0.98の範囲、特に0.93〜0.97の範囲にあることを特徴とする請求項10に記載のターボ機関。
- 前記桁(80)は、その径方向外側の端面および/または径方向内側の端部に面を有することを特徴とする請求項10または請求項11に記載のターボ機関。
- 前記両方の第2タブの互いに背向する軸方向面(40.a)の間における前記軸方向全幅(b)に関して、前記桁(80)の前記径方向外側の第1の部分(81)は、0.16〜0.22の範囲、特に0.17〜0.21の範囲の軸方向距離(bN1/b)を有し、かつ/または、前記桁(80)の前記径方向内側の第2の部分(82)は、0.26〜0.32の範囲、特に0.27〜0.31の範囲の軸方向距離(bN2/b)を有することを特徴とする請求項10から請求項12のいずれか一項に記載のターボ機関。
- 前記ノッチ(30,40)は、前記第1タブ(3)および前記第2タブ(4)に対して略補完的に構成されていることを特徴とする請求項10から請求項13のいずれか一項に記載のターボ機関。
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